CN106532245B - 一种多频点宽波束圆极化环天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多频点宽波束圆极化环天线，包括一金属地板；该金属地板上设置有一由接地金属壁构成的封闭体；该封闭体内从上而下依次设置有第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线，所述的第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线同心分层排布，且周长依次减小。本发明实现的多频点宽波束圆极化环形天线结构简单，制作成本低；采用单馈实现了多个工作频点，降低了馈电结构复杂度；采用“η”形结构探针馈电可以在较宽频段范围内实现多频点工作，可以获得较大频率比；天线在多个工作频点均能够实现了宽波束和圆极化。
Description
技术领域
本发明属于环形天线技术领域，具体的说是一种多频点宽波束圆极化环天线。
背景技术
卫星导航定位系统具有实时性、高精度、全天候的优点，在国民经济和人类生活中具有重要的作用。在卫星导航定位系统中，天线作为发射电磁波的终端和接收电磁波的前端，对系统的性能有重要的影响。
随着卫星导航系统的发展，其工作频段逐渐增多，例如北斗一代导航系统上行链路位于L波段的1615.68MHz，下行链路位于S波段的2491.75MHz；在随后的北斗二代导航系统中工作频段扩展位于L波段的三个频段B1(1561.098MHz)、B2(1191.795MHz)、B3(1268.52MHz)。而随着卫星导航系统集成度的提高，原本工作于不同频点的分立天线逐渐被集成的多频点天线取代，因此对天线系统提出了多频点的要求；同时，在GPS/北斗等卫星导航定位系统中，通常要求天线能够在较大的空间范围内接收导航卫星发射的信号，此时要求天线具有较高的低仰角增益，对天线系统提出了宽波束的要求；此外，在GPS/北斗等卫星导航定位系统中为了能够更好地保证系统的实时性和全天候工作，均采用圆极化天线以减小多径反射的影响并且抑制雨雾等气候引起的去极化效应。综上，卫星导航定位系统对天线提出了多频点、宽波束以及圆极化的要求。
环形天线是一种被广泛应用的天线类型，与其他类型的天线结构如微带天线、螺旋天线等相比，环天线结构简单，尺寸较小、质量轻、制造成本低。同时，环形天线可以利用印刷工艺制造实现，以满足低剖面、高精度等要求。由于环形天线上电流沿天线结构呈环形分布，因此环天线易于实现单天线的圆极化辐射。此外，环天线结构还可以通过多层累叠、同层嵌套以及天线开槽等方法实现多频点集成。目前，同时兼有多频点、宽波束、圆极化性能的环形天线文献和专利均未见报道，其研究和设计对提高GPS/北斗等卫星导航系统的性能具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种兼有多频点、宽波束、和圆极化环天线。
技术方案：本发明解决问题所采用的技术方案为：一种多频点宽波束圆极化环天线，包括一金属地板；该金属地板上设置有一由接地金属壁构成的封闭体；该封闭体内从上而下依次设置有第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线，所述的第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线同心分层排布，且周长依次减小；第一环天线设置在最外层，第四环天线设置在最内层；所述的接地金属壁构成的封闭体内还安装有一馈电同轴，该馈电同轴的外壁与接地金属壁相连，且馈电同轴的上方还设置有一金属耦合探针。
进一步地，所述的接地金属壁设置为矩形壁或者环形壁，由接地金属壁构成的封闭体的截面形状相应的设置为正方形或圆形；且该截面的周长为四个环天线最低工作频率对应的1.2λ-1.5λ，接地金属壁的高度为四个环天线最低工作频率对应的0.31λ-0.5λ,壁厚为0.01mm-0.5mm；而封闭体内设置的第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线则相应的设置为正方形结构的方形金属环或者圆环结构的金属圆环。
进一步地，所述的第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线的同一点均设置有枝节，每个环天线上的枝节均是横向水平设置的，枝节延伸出的直线均穿过各自环天线的中心或者圆心，而最外层的第一环天线上的枝节向外侧水平延伸；而第二环天线、第三环天线和第四环天线上的枝节均向内侧水平延伸。
进一步地，所述的金属耦合探针和馈电同轴均设置在最外层的第一环天线的下方；且馈电同轴与枝节之间的径向夹角为45°。
进一步地，所述的金属耦合探针为的“η”形耦合结构，该金属耦合探针包括探针末端、与探针末端相连的探针中段和与探针中段相连的探针前端，其中的探针末端与馈电同轴的内芯相连，而探针中段则与第一环天线平行设置。
进一步地，所述的第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线的长度分别设置为对应工作频率的0.9λ-1.1λ；高度分别设置为对应工作频率的0.09λ-0.3λ；线宽设置为1mm-5mm。
进一步地，所述第一环天线、第二环天线、第三环天线和第四环天线上的枝节长度分别对应各自环天线工作频率的0-0.2λ。
进一步地，所述的探针末端的高度为环天线最低频点对应的0.09λ-0.29λ，探针中段的长度为环天线最低频点对应的0.01λ-0.4λ，探针前端高度为环天线最低频点对应的0.08λ-0.29λ，探针直径为0.5mm-2mm。
有益效果：本发明具有以下有益效果：与现有技术相比，本发明实现的多频点宽波束圆极化环形天线结构简单，制作成本低；采用单馈实现了多个工作频点，降低了馈电结构复杂度；采用“η”形结构探针馈电可以在较宽频段范围内实现多频点工作，可以获得较大频率比；天线在多个工作频点均能够实现了宽波束和圆极化。
附图说明
图1为本发明结构立体图；
图2为本发明结构俯视图；
图3为本发明结构左视图；
图4为本发明结构主视图；
图5本发明使用时的回波损耗图；
图6为本发明使用时四个工作频点的轴比图；
图7为本发明使用时在第一个工作频点的归一化辐射方向图；
图8为本发明使用时在第二个工作频点的归一化辐射方向图；
图9为本发明使用时在第三个工作频点的归一化辐射方向图；
图10为本发明使用时在第四个工作频点的归一化辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至图4，一种多频点宽波束圆极化环天线，包括一金属地板1；该金属地板1上设置有一由接地金属壁2构成的封闭体；该封闭体内从上而下依次设置有第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6，所述的第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6同心分层排布，且周长依次减小；第一环天线3设置在最外层，第四环天线6设置在最内层；所述的接地金属壁2构成的封闭体内还安装有一馈电同轴7，该馈电同轴7的外壁与接地金属壁2相连，且馈电同轴7的上方还设置有一金属耦合探针8。
接地金属壁2设置为矩形壁或者环形壁，由接地金属壁2构成的封闭体的截面形状相应的设置为正方形或圆形；且该截面的周长为四个环天线最低工作频率对应的1.2λ-1.5λ，接地金属壁2的高度为四个环天线最低工作频率对应的0.31λ-0.5λ,壁厚为0.01mm-0.5mm；而封闭体内设置的第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6则相应的设置为正方形结构的方形金属环或者圆环结构的金属圆环。
第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6的同一点均设置有枝节9，每个环天线上的枝节9均是横向水平设置的，枝节9延伸出的直线均穿过各自环天线的中心或者圆心，而最外层的第一环天线3上的枝节9向外侧水平延伸；而第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6上的枝节9均向内侧水平延伸。
金属耦合探针8和馈电同轴7均设置在最外层的第一环天线3的下方；且馈电同轴7与枝节9之间的径向夹角为45°；金属耦合探针8为的“η”形耦合结构，该金属耦合探针8包括探针末端10、与探针末端10相连的探针中段11和与探针中段11相连的探针前端12，其中的探针末端10与馈电同轴7的内芯相连，而探针中段11则与第一环天线3平行设置。
第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6的长度分别设置为对应工作频率的0.9λ-1.1λ；高度分别设置为对应工作频率的0.09λ-0.3λ；线宽设置为1mm-5mm；第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6上的枝节9长度分别对应各自环天线工作频率的0-0.2λ；探针末端10的高度为环天线最低频点对应的0.09λ-0.29λ，探针中段的长度为环天线最低频点对应的0.01λ-0.4λ，探针前端高度为环天线最低频点对应的0.08λ-0.29λ，探针直径为0.5mm-2mm。
实施例1
如图1所示，本实施例中金属地板1设置成为圆形金属地板，该圆形金属地板的直径为190mm，厚度为0.25mm；接地金属壁2设置成矩形的金属壁，由该矩形的接地金属壁构成的封闭体为方形体，该封闭体的横截面为正方形，该封闭体的周长为360mm，高度为36mm，壁厚设置为0.02mm；封闭体内的四个环天线均设置成正方形金属环，且第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6的周长分别设置为234mm、196mm、165mm、124.64mm，高度依次为23mm、18mm、9mm、5mm，线宽为1.2mm，厚度为0.02mm。
如图2所示，第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6的右侧环臂13的中点位置上设置有枝节9，第一环天线3上枝节9水平横向的向外侧延伸，而第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6上的枝节9则向水平横向的向内侧延伸；且第一环天线3、第二环天线4、第三环天线5和第四环天线6上的枝节9的长度依次设置为5mm、5mm、2mm和2mm，线宽均设置为1.2mm，厚度均设置为0.02mm；第一环天线3的下环臂14与其上环臂13的相交点设置为相交顶点15。
如图3所示，馈电同轴7设置在相交顶点15的正下方，该馈电同轴7外壁与接地金属壁相连，而且该馈电同轴7与环天线上的枝节9的之间的径向夹角为45°；如图4所示，金属耦合探针8为“η”形结构耦合金属探针；由探针末端10、探针中段11、探针前端12组成，探针末端10与馈电同轴7的内芯相连；探针前端12较短，探针末端10较长，而探针中段11则与第一环天线3的下环臂13平行，本实施例并设置金属耦合探针8的接口阻抗为50Ω。
本实施例设置在1.268GHz、1.52GHz、1.82GHz和2.4GHz四个工作频点可以发射和接收右旋圆极化波。图5为本实施例的回波损耗，由图可见，在四个工作频点1.268GHz、1.52GHz、1.82GHz、2.4GHz的回波损耗均小于-10dB，因此具有很好的匹配效果。
图6为本实施例在四个工作频点处的轴比，图7至图10分别为本实施例在四个工作频点处的归一化辐射方向图，表1则列出了本实施例在四个工作频点处轴比、半功率波束宽度以及天顶方向增益。
| 工作频点 | <![CDATA[f<sub>01</sub>]]> | <![CDATA[f<sub>02</sub>]]> | <![CDATA[f<sub>03</sub>]]> | <![CDATA[f<sub>04</sub>]]> |
| 天顶方向轴比(dB) | 0.76 | 0.85 | 1.26 | 1.71 |
| 最大增益(dB) | 6.14 | 4.92 | 5.50 | 5.43 |
| 3dB波束宽度(°) | 101 | 130 | 126 | 121 |
表1
由表可见，本实施例在天顶方向具有较好的圆极化性能，轴比均小于2dB；在四个工作频点的最大增益差均小于1dB，增益均匀度较好；第一个工作频点的3dB波束宽度为101°，其余三个工作频点的3dB波束宽度均大于120°。
综上所述，本发明实现的多频点宽波束圆极化环形天线结构简单，制作成本低；采用单馈实现了多个工作频点，降低了馈电结构复杂度；采用“η”形结构探针馈电可以在较宽频段范围内实现多频点工作，可以获得较大频率比；天线在多个工作频点均能够实现了宽波束和圆极化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：包括一金属地板（1）；该金属地板（1）上设置有一由接地金属壁（2）构成的封闭体；该封闭体内从上而下依次设置有第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6），所述的第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）同心分层排布，且周长依次减小；第一环天线（3）设置在最外层，第四环天线（6）设置在最内层；所述的接地金属壁（2）构成的封闭体内还安装有一馈电同轴（7），该馈电同轴（7）的外壁与接地金属壁（2）相连，且馈电同轴（7）的上方还设置有一金属耦合探针（8）；
所述的接地金属壁（2）设置为矩形壁或者环形壁，由接地金属壁（2）构成的封闭体的截面形状相应的设置为正方形或圆形；且该截面的周长为四个环天线最低工作频率对应的1.2λ-1.5λ，接地金属壁（2）的高度为四个环天线最低工作频率对应的0.31λ-0.5λ,壁厚为0.01mm-0.5mm；而封闭体内设置的第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）则相应的设置为正方形结构的方形金属环或者圆环结构的金属圆环；
所述的第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）的长度分别设置为对应工作频率的0.9λ-1.1λ；高度分别设置为对应工作频率的0.09λ-0.3λ；线宽设置为1mm-5mm。
2.根据权利要求1所述的一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：所述的第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）的同一点均设置有枝节（9），每个环天线上的枝节（9）均是横向水平设置的，枝节（9）延伸出的直线均穿过各自环天线的中心或者圆心，而最外层的第一环天线（3）上的枝节（9）向外侧水平延伸；而第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）上的枝节（9）均向内侧水平延伸。
3.根据权利要求2所述的一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：所述的金属耦合探针（8）和馈电同轴（7）均设置在最外层的第一环天线（3）的下方；且馈电同轴（7）与枝节（9）之间的径向夹角为45°。
4.根据权利要求3所述的一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：所述的金属耦合探针（8）为的“”形耦合结构，该金属耦合探针（8）包括探针末端（10）、与探针末端（10）相连的探针中段（11）和与探针中段（11）相连的探针前端（12），其中的探针末端（10）与馈电同轴（7）的内芯相连，而探针中段（11）则与第一环天线（3）平行设置。
5.根据权利要求4所述的一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：所述第一环天线（3）、第二环天线（4）、第三环天线（5）和第四环天线（6）上的枝节（9）长度分别对应各自环天线工作频率的0-0.2λ。
6.根据权利要求5所述的一种多频点宽波束圆极化环天线，其特征在于：所述的探针末端（10）的高度为环天线最低频点对应的0.09λ-0.29λ，探针中段的长度为环天线最低频点对应的0.01λ-0.4λ，探针前端高度为环天线最低频点对应的0.08λ-0.29λ，探针直径为0.5mm-2mm。
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